Schwingungsbasiertes Spannungsidentifikationsverfahren für fachwerkartige Eisen- und Stahlkonstruktionen

Die Tragfähigkeitsbeurteilung einer bestehenden fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktion ist wesentlich von den vorhandenen Stabnormalkräften und den daraus resultierenden Spannungen abhängig. Liegen ausreichend Informationen zum Tragwerk und den äußeren Einwirkungen vor, können die Stabnormalkräfte im Fachwerk in Form einer statischen Berechnung ermittelt werden. Allerdings lässt sich der Spannungszustand für historische Konstruktionen aufgrund von Unschärfen bei der Überführung in ein statisches Modell meist nur ungenau bestimmen. Als Alternative zur statischen Berechnung können zerstörungsfreie messgestützte Verfahren verwendet werden. Das hierfür neu entwickelte Verfahren basiert auf Schwingungsmessungen und der Finite-Elemente-Modellkalibrierung. Die Stabkräfte der Zugglieder im Fachwerk lassen sich anhand eines analytisch basierten Algorithmus unter Verwendung eines Vergleichs zwischen numerisch berechneten und experimentell ermittelten Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen am Gesamttragwerk sowie ausgewählten Einzelstäben bestimmen. Für die getesteten Tragsysteme zeigte sich unter verschieden hohen Beanspruchungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den im Versuch aufgebrachten und den mithilfe des entwickelten Verfahrens identifizierten Stabnormalkräften. Ferner werden im Beitrag Empfehlungen zur Erstellung eines Messkonzepts sowie Entwicklung von Bemessungsstrategien für In-situ-Untersuchungen und die Zustandsbewertung bestehender Stahlfachwerke angegeben.

Vibration-based stress state identification method for iron and steel truss structures
The assessment of the load-bearing capacity of existing iron and steel truss structures is significantly dependent on the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded structural members. The axial forces in truss structures can be estimated by static calculations if accurate information about the structure and external loads are known. However, the stress condition for historical constructions can usually only be estimated inaccurately due to uncertainty in the assumptions of a static model. As an alternative to static calculations, non-destructive measurement based techniques can be used. The newly developed methodology is based on vibration measurements and the finite element model updating. The member forces of the truss members can be calculated by means of an analytically based algorithm and a comparison between the numerically computed and experimentally identified natural frequencies and mode shapes of the truss structure as well as of selected individual members. For the tested structural systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces at different stress states. Furthermore, practical recommendations for the preparation of a measurement concept and development of design strategies for in-situ investigations and safety assessment of existing iron and steel truss structures are given.